二甲醚燃烧效率分析

二甲醚燃烧效率分析

二甲醚用作燃料替代液化石油气被市场看好，被誉为“二十一世纪的新能源”。究其主要原因，一方面在于能源价格飙升下二甲醚的价格优势，而另一方面则是其燃烧效率高和燃烧产物排放洁净的显著特点。

将清洁能源二甲醚用作替代能源，是我国抑制高油价影响的重要措施之一。二甲醚的主要性质与液化石油气相类似，可以替代液化石油气用作城镇燃气。二甲醚自身含氧，具有燃烧效率高的特点，从二甲醚的燃烧机理研究中发现，同等热量条件下，与天然气、液化石油气等相比，二甲醚燃烧效率提高5%左右，推广应用前景十分广阔。

1.二甲醚的特性

二甲醚（DME）分子式为C2H60，分子量46.07，二甲醚是一种比较惰性的非腐蚀性有机物，其主要的理化性质见表1。在常温、常压下二甲醚是一种无色易燃有轻微醚香味的气体，在空气中的允许浓度为400×10-6。它具有与液化石油气（LPG）相似的特性。二甲醚具有一般醚类的性质，二甲醚对金属无腐蚀性，不刺激人体皮肤，不致癌，对大气臭氧层无破坏作用，在对流层中易于降解，长期暴露于空气中，不会形成过氧化物。所以，二甲醚是一种优良的绿色化工产品。

在同等温度条件下，二甲醚的饱和蒸气压低于液化石油气，其存储、运输、使用等均比液化石油气安全。二甲醚在空气中的爆炸下限比液化石油气高一倍，因此，在使用过程中，二甲醚作为燃料比液化石油气安全。虽然二甲醚的热值比液化石油气低，但由于二甲醚自身含氧，在燃烧过程中所需空气量远低于液化石油气，从而使得二甲醚的预混气热值和理论燃烧温度都高于液化石油气。

二甲醚具有优良的混溶性，可以同大多数极性和非极性的有机溶剂混溶，例如汽油、四氯化碳、丙酮、氯苯和乙酸乙酯。较易溶于丁

醇，对多醇类的溶解度不佳。常压下在100mL水中可溶解3700mL二甲醚，但是加入少量的助剂后就可与水以任意比例互溶。二甲醚燃烧时火焰略带亮光。常温下二甲醚难于活化，但长期储存或受日光直接照射，可形成不稳定过氧化物，这种过氧化物能自燃或自发的爆炸或受热后爆炸。

二甲醚毒性很低，气体有刺激及麻醉作用的特性，通过吸入或皮肤吸收过量的二甲醚，会引起麻醉、失去知觉和呼吸器官损伤。小鼠吸人225.72 g/m3有麻醉作用；猫吸入1658.85 g/m3会深度麻醉；人吸入154.24 g/m3有轻度麻醉，吸入940.50 g/m3有极不愉快的感觉，有窒息感。

2.二甲醚燃烧效率分析

二甲醚易燃，燃烧时火焰略带光亮，气态低位热值为58.50 MJ/m3，同等质量条件下，理论热值约为汽柴油的64%。以质量计，二甲醚本身含氧量高达34.8%，理论燃烧温度可达2250℃（液化气理论燃烧温度可达2050℃），燃烧性能较好，热效率也较高。

2.1本身含氧，需要添加的理论空气量相应减少

A.燃烧过程

二甲醚燃烧过程：C2H6O十3O22CO2+3H2O

丙烷燃烧过程：C3H8十5O23CO2+4H2O

丁烷燃烧过程：C4H10十6.5O24CO2+5H2O

由上述反应方程式可知，以相同摩尔体积二甲醚与丙烷或丁烷的燃烧过程比较，丙烷或丁烷所需要的氧气量较二甲醚多2.0mol或3.5mol。

液化气组分按C3H830%、C4H1070%计算。

二甲醚气态低位热值为58.50MJ/m3，液化气气态低位热值为92.83MJ/m3。

B.我们知道，空气中1.0mol O2附带3.76mol的N2和其它惰性气体，因此，上述二甲醚及丙烷或丁烷完整的燃烧反应方程式应为: C2H60+3（02+3.76N2）2C02+3H20+3×3.76N2

C3H8+5（02+3.76N2）3C02+3H20+5×3.76N2

C4H10+6.5（02+3.76N2）4C02+3H20+6.5×3.76N2

上叁式表明，在燃烧温度不太高的情形下，反应前后N2的摩尔数不变。N2虽然进入燃烧区，但并未参加氧化反应，相反，它带走二甲醚或丙烷或丁烷部分燃烧热，进而影响热效率。因此，降低不参与反应的N2量（空气量），则减少了热损失，相当与提高了二甲醚的热效率。

C.1m3二甲醚燃烧时需14.28m3空气，产生烟气16.28m3。

1m3丙烷燃烧时需23.80m3空气，产生烟气26.80m3。

1m3丁烷燃烧时需30.94m3空气，产生烟气34.94m3。

D.1m3液化气燃烧时需0.3×23.80+0.7×30.94m3=28.80m3空气，

产生烟气0.3×26.80+0.7×34.94m3=32.50m3

E.按当量热值计算1m3液化气与1.58m3二甲醚燃烧时需要的空气量比值为：

1m3液化气：1.58m3二甲醚=28.80m3：1.58×14.28m3=1：0.78

即：1m3液化气比1.58m3二甲醚需多增加空气27.65%。

F.按当量热值计算1m3液化气与1.58m3二甲醚燃烧时产生的烟气量比值为：

1m3液化气：1.58m3二甲醚=32.50m3：1.58×16.28m3=1：0.79

即：1m3液化气比1.58m3二甲醚需多产生烟气26.35%。

2.2燃烧状况改善，过剩空气系数降低

一般情况下，燃烧装置空气系数α控制范围为：工业燃烧装置α=1.05～1.20；民用α=1.30～1.80。从提高燃烧效率方面讲，理想情况

下，α=1.0时，如果能确保空气与燃气混合充分、燃烧完全，燃烧效率最高。实际燃烧过程中，取α>1.0的原因是为了避免不完全燃烧情况发生，而付出的代价则是需加热不参与反应剩余的O2、N2，导致热效率降低。

二甲醚自身含氧，由于改善了燃气与空气的混合效果，且氧气与氮气之比较普通空气大，属“富氧燃烧”工况，因而改善了燃烧状况；而另一方面，氧气与二甲醚混合情况趋好，除混入的空气总量可以相应降低外，还可以将空气系数控制在较低位置，α适当朝1.0方向降低，即减少剩余空气量，减少不参与燃烧的O2、N2量，自然这是二甲醚燃烧效率提高的另一个原因。

2.3燃具燃烧效率分析

对于燃具，假定α由1.20降为1.05，不参与燃烧的O2、N2量减少，1.0摩尔体积的二甲醚燃烧时减少的O2、N2量为:

（1.20-1.05）×[O2+（0.79÷0.21）N2] mol

经计算，与同等热值的丙烷或丁烷（或其他燃气）比较，减少的这部分热损失为3.0%～5.0%左右。

2.4火焰传热能力增加

二甲醚燃烧时，火焰温度增加，烟气温度也随之升高，增加了分解热，当遇到低温表面时，将放出大量的分解热，这就是富氧燃烧火焰具有较大传热能力的原因之一。

2.5燃烧装置内有效利用热得以提高

由于富氧燃烧火焰温度高，燃烧装置内温压增大，辐射换热量增强，提高了装置内有效利用热。

3.二甲醚排放性能分析

二甲醚是一种清洁燃料，燃烧过程中无残渣、无黑烟，CO、CO2及烟气排放量降低，具有富氧燃烧的火焰特性。由于其燃烧温度提高，